來源 | Composites Science and Technology
01
溫度控制和能耗及其對(duì)溫室效應(yīng)的影響引起了科學(xué)界、政界和工業(yè)界的關(guān)注。建筑消耗了全球40%的能源，其中三分之一用于調(diào)節(jié)溫度，而許多能源被浪費(fèi)在無生命的物體上。人體皮膚通過熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等方式散熱。通過材料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以以被動(dòng)的方式精確調(diào)節(jié)皮膚傳熱，減少不必要的能量消耗。它也適用于戶外場景，如軍事、體育和醫(yī)療，特別是在寒冷的天氣。氣凝膠纖維由微尺度多孔網(wǎng)絡(luò)的固相組成，顯著降低了熱傳導(dǎo)和對(duì)流。氣凝膠紡織品的導(dǎo)熱系數(shù)很低，在0.02 ~ 0.07 W/mK之間，但通常會(huì)有脆性。對(duì)于可穿戴紡織品，需要考慮柔韌性。此外，主動(dòng)采暖常被用作一種熱量補(bǔ)充，以應(yīng)對(duì)寒冷的條件，如冬季室外、極地和山區(qū)。導(dǎo)電紡織品可以通過焦耳熱效應(yīng)直接加熱人體。在幾伏電壓下，紡織品的溫度將達(dá)到合適的人體溫度(約32℃)，因?yàn)榄h(huán)境溫度低于20℃。導(dǎo)電紡織品是通過嵌入導(dǎo)電材料，如碳基材料，金屬材料聚合物基高分子材料。為了減少能源消耗，需要開發(fā)更高效的加熱紡織品。此外，由于熱管理紡織品的應(yīng)用場景較多，對(duì)紅外偽裝、電磁屏蔽、散熱等功能要求較高。
02
成果掠影
為了降低能耗，個(gè)人熱管理裝置備受關(guān)注。開發(fā)低導(dǎo)熱率或低發(fā)射率的柔性纖維至關(guān)重要，但仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。近期清華大學(xué)方菲教授課題組開發(fā)了一種具有良好被動(dòng)和主動(dòng)加熱能力的柔性和多功能復(fù)合紡織品。通過對(duì)孔形貌和固相網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，得到了導(dǎo)熱系數(shù)為0.037 W/mK的TPU/SiO2氣凝膠織物(命名為T-textile)。T-textile還表現(xiàn)出高柔韌性(斷裂應(yīng)變?yōu)?80%)，而氣凝膠紋理的低延性通常是一個(gè)問題。同時(shí)制備了TPU/Ag (S-textile)導(dǎo)電織物，其低紅外發(fā)射率為0.40，高導(dǎo)電率為248.99 S/mm。S-textile還具有優(yōu)良的電磁屏蔽能力(大于75分貝)。模擬皮膚(~27.4?C)覆蓋層ST (S + T)和STT (S + T + T)紡織品可以分別加熱到32.6℃和35℃。此外，只有0.6 V，覆蓋S-紡織品的模擬皮膚可以加熱到50 ℃，而TS紡織品(ST紡織品翻轉(zhuǎn))達(dá)到58?C。這種復(fù)合紡織品提供了隔熱、焦耳加熱、柔韌性、透氣性和電磁屏蔽能力的綜合解決方案，使其成為復(fù)雜場景的智能個(gè)人熱管理設(shè)備。研究成果以“An energy-saving composite textile for thermal management”為題發(fā)表于《Composites Science and Technology》。
03
圖1.T型織物(a)和S型織物(b)的制備原理圖。
圖2.織物的微觀形貌和導(dǎo)熱性能。
圖3.織物的截面微觀形貌以及光譜和機(jī)械性能。
圖4.模擬的光譜數(shù)據(jù)。
圖5.織物的傳熱原理和熱管理性能示意圖。
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